2018年带电粒子在匀强磁场中运动-回旋加速器

（2）交变电源的频率是多大？
动能：1.92×10-12J
次数6.0×102
频率：7.6×106Hz
例2：关于回旋加速器中电场和磁场的作用的叙述，正
确的是( CD )
A、电场和磁场都对带电粒子起加速作用
B、电场和磁场是交替地对带电粒子做功的
C、只有电场能对带电粒子起加速作用
D、磁场的作用是使带电粒子在D形盒中做匀速圆周运动
人类对于未知世界的 探索，从未也永远不会有 止境。在浩瀚的知识海洋 中，还有很多未知的岛屿等
着我们。
思考题：回旋加速器D形盒中央为质子流，D形盒间 的交变电压为U＝2×104V，静止质子经电场加速后， 进入D形盒，其最大轨道半径R＝1m，磁场的磁感应 强度B＝0.5T，质子的质量m＝1.67×10－19C。问： （1）质子经回旋加速器最后得到的动能是多大？共 加速了多少次？
世界最大直线加速器：斯坦福大学直线加速器
22英英里里长长的的直线直加线速加管速管
多级直线加速器
缺点： 1加速装置很长，占地面积大； 2造价很高。
三、回旋加速器
直线加速器的缺点： 体积通常较大，占 地面积大。
能不能建造一种加速器，在较小的空间范围内 让粒子受到多次加速获得所需要的能量呢？
1932年美国科学家劳伦斯发明了回旋加器，巧 妙地应用带电粒子在磁场中运动特点解决了这 一问题。为此，劳伦斯于1939年获得了诺贝尔 物理学奖。
qvB mv 2
v
r
. . . . r mv qB
T 2 m
qB
. . . B. I=q/T=q2B/2π m
带电粒子在匀强磁场中的运 动 ----回旋加速器
如何获得高能粒子呢？
+
-
通过电场使带电粒子加速
电场加速粒子带来的问题
一般情况下我轰击原子核需要的粒子的能 量很高，也就是说需要一个高速的粒子。
分析；对于同一回旋加速器，其粒子回旋的最大半径 是相同的（回旋的最大半径等于D形盒的半径），设 最大半径为R，最终能量为E。
由最大半径得： R＝ mv E 1 mv 2 B2q2R2
qB
2
2m
结论：粒子的最终能量与加速电压无关，与 回旋的最大半径有关。加速电压的高低只会 影响加速次数，并不影响加速后的最大动能
4、若每次加速时的电压为U，将带电粒子在狭缝之间的运动 首尾连接起来可看成什么运动？
一个初速度为零的匀加速直线运动
5、D形盒的半径为R，两盒间距为d，质子在电场中 加速次数与回旋半周的次数相同，加速电压大小可 视为不变，比较：质子在电场中的加速时间与质子 在D形盒中运动时间
分析：设质子最终速度为v，加速次数为n
例2．一个带负电粒子（质量为m，带电量为q），以速率v在磁感
应强度为B的匀强磁场中做逆时针圆周运动（沿着纸面），则该匀
强磁场的方向为垂直于纸面向里还是向外？粒子运转所形成的环
形电流的大小为多大？
匀强磁场的方向为垂直于纸面向外
. . - . . v
m，q I=q/t I=q/T
. . . . F=qvB T 2 r
在电场中加速时间为
t1 = nd = v/2
2nd v
在D形盒中回旋时间为
t2
= nT/2 =
nпR v
比较：
t1 t2
=
2d пR
由于R远远大于d，故可忽略粒 子在电场中运动时间
结论：粒子在加速器中运动总时间为 t总 = nT/2，n为加 速次数
探究二：粒子最终能量
思考：粒子的最终能量与加速电压有关吗？
小结：回旋加速器
1、加速电场的周期等于回旋周期（交流电源的频率 等于粒子做匀速圆周运动的频率。
2、粒子在电场中运动时间远小于在磁场中运动的时 间，故粒子在回旋加速器中运动总时间可认为等于 在磁场中运动时间。
3、粒子做匀速圆周运动的最大半径为D形盒的半径 4、在粒子的质量、电荷量确定的情节下，粒子所能 达到的最大动能只与D形盒的半径R和磁感应强度B 有关，与加速电压U无关。
场中的圆周运动的周期相等。
探究
探究一：粒子在回旋加速器中 运wk.baidu.com时间
1、带电粒子在两D形盒中回旋周期等于两盒狭缝之间高频电 场的变化周期，粒子每经过一个周期，被电场加速多少次？
2、设加速电压为U，粒子的电量为q，则 每次加速增加的动能为 EK＝qU
3、若粒子的电量为q，最终能量为E，加速电压为U，则回旋 圈数为
欧洲粒子物理研究中心
建造中的粒子 加速器（左图）
粒子加速器的透视图
北京正负电子对撞 机：能使电子束能 量达到3GeV左右
美国费米加速器实验室
欧洲大型强子对撞机（LHC）是世界上最大的粒子加速器，
建于瑞士和法国边境地区地下100米深处的环形隧道中， 隧道全长26.659公里。大型强子对撞机2003年开始修建， 将近80个国家和地区的2000多名科学家参与这一研究项 目。
由
qU 1 mv 2 v 2
2qU m
可知所需粒子速度越高，则加速电压就越高
猜想：多个电场加速
+ - + -+ -
+-
一级 二级 三级
n级
直线加速器
早期的加速器只能使带电粒子在高压电场中加速一或 两次，因而粒子所能达到的能量受到高压技术的限制。 而且为了使带电粒子达到很高的速度，必然要经过多 次加速，因此直线加速器得体积通常都较大
回 旋 加 速 器
• 构造：D形盒、强电磁铁、交流电源、粒子源、 导出装置
• 用途：给粒子加速获得高能粒子
回旋加速器演示
受力与运动分析
D形盒内(电场被屏蔽）
粒子只受洛伦兹力作用，做匀速圆周运动，运动周期不变
两盒狭缝之间
不考虑磁场的影响，只考虑电场力作用， 粒子在电场力作用下做加速运动。
电场作用：给带电粒子加速； 磁场作用：使带电粒子发生偏转； 加速条件：交流电的周期和带电粒子在磁
为了把带电粒子加速到更高的 能量，人们还设计了各种类型的新 型加速器，如：同步加速器、电子 感应加速器、串列加速器、电子对 撞机等。
世界著名粒子加速器
世界最大直线加速器
II
马 克 号 探 测 器
退役的斯坦福直线对撞器的臂
对撞器实验大厅
加欧 速洲 器同 （步 左辐 图射
)
大型强子对撞机(LHC)有史以来 人为的最高能量粒子位于日内 瓦郊区瑞士与法国边界地下 的27公里长环形隧道中。